课程讲义计算机网络-第二章-物理层

[课程讲义]计算机网络_第二章_物理层第一页，共61页。主要内容案例引入物理层的基本概念数据通信的基础知识传输介质与常见的传输系统日常生活中的网络接入技术2第二页，共61页。知识目标物理层的四个基本特性K通信系统模型、信道相关的概念K奈奎斯特定理、香农公式C三种信道复用技术CxDSL技术、HFC网、FTTx技术K3第三页，共61页。案例引入背景Alice和Bob在不同的城市，在计算机上，通过QQ软件聊天。提出问题Alice的消息是怎样传输到Bob的？4第四页，共61页。案例引入分析：1、Alice的笔记本通过网线连接到互联网，Bob的笔记本通过宿舍里的WIFI连接到互联网。2、当Alice在QQ软件里输入消息后，QQ软件将消息进行处理，并在操作系统的帮助下，最后通过网卡、网线，把消息传输出去。3、消息在网络中经过一番传输后，最终通过Bob宿舍里WIFI的电磁波到达他的笔记本，在操作系统的帮助下，消息最终被QQ软件接收，并显示出来。5第五页，共61页。案例引入思考：整个通信过程中，最底层的支持是什么？网卡/（无线）网卡、网线、电磁波网卡、网线、电磁波到底做了些什么事情？网卡把计算机中需要传输的信息转换成能够在物理介质上传输的物理信号；或者一个相反的过程。按照什么规则来转换？在网络通信过程中引入物理层，由物理层的协议来规定6第六页，共61页。案例引入结论在网络通信中需要物理层，来解决数据如何在传输媒介上传输的问题7第七页，共61页。主要内容案例引入物理层的基本概念数据通信的基础知识传输介质与常见的传输系统日常生活中的网络接入技术8第八页，共61页。物理层的基本概念目标屏蔽底层物理媒介的差异性，为上层提供透明的比特流传输服务。9第九页，共61页。物理层的基本概念任务确定与传输媒体的接口的一些特性，即机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

例：网线有几根引线，引线怎么排列（机械特性）；在引线上能传什么范围的电压（电气特性）；每个引线上什么电压代表0，什么电压代表1（功能特性）；什么时候能在哪根引线上发送（过程特性）。10第十页，共61页。主要内容案例引入物理层基本概念数据通信的基础知识传输介质与常见的传输系统日常生活中的网络接入技术11第十一页，共61页。数据通信的基础知识AliceBob--嗨！Bob----嗨！Alice--你好吗？案例Alice和Bob通信过程12第十二页，共61页。数据通信的基础知识建模把Alice和Bob的通信过程进行抽象，得到一个数据通信的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC13第十三页，共61页。数据通信的基础知识数据通信系统的模型信号种类

模拟信号：是连续的信号，用电流或电压的大小直接模拟被测量数字信号：是离散的信号，一般指二进制数字信号，即分别用两个不同的参量代表0和1基带信号：来自信源的信号不经过调制，直接进行传输带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输14第十四页，共61页。数据通信的基础知识数据通信系统的模型信号种类

010011100基带信号调幅调频调相15第十五页，共61页。数据通信的基础知识数据通信系统的模型信道通信的工作模式

1．单工通信2．半双工通信3．全双工通信16第十六页，共61页。数据通信的基础知识常用的编码模式不归零制

正电平代表1，负电平代表0归零制

正脉冲代表1，负脉冲代表0曼彻斯特编码

位周期中心的向上跳代表0，位周期中心的向下跳代表1。差分曼彻斯特编码

在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。17第十七页，共61页。曼切斯特编码和差分曼切斯特编码案例：

根据基带信号画出曼切斯特编码和差分曼切斯特编码。110010100基带信号18第十八页，共61页。数据通信的基础知识信道传输速率实际信道传输任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形有失真，但可识别19第十九页，共61页。数据通信的基础知识信道传输速率实际信道传输2.码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形失真大，无法识别20第二十页，共61页。数据通信的基础知识信道传输速率码元概念——信道上传输的周期信号的波形。码元的传输速率即信号的波形速率，单位为波特（Baud）。

1波特=1码元/秒●码元1码元21第二十一页，共61页。数据通信的基础知识信道传输速率理想信道速率上限奈奎斯特(Nyquist)定律（重点）理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)22第二十二页，共61页。数据通信的基础知识信道传输速率实际信道速率上限香农(Shannon)定理（重点）香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

23第二十三页，共61页。数据通信的基础知识数据通信系统的模型信道传输速率源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制24第二十四页，共61页。数据通信的基础知识数据通信系统的模型信道传输速率码元传输速率受奈奎斯特定理的制约；采用多元制调制方法，以设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量，可提高信息的传输速率。但无论如何调制，都不可能超过香农极限。●

结论25第二十五页，共61页。数据通信的基础知识提高信道利用率信道复用技术（重点）复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。+()+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2(b)共享信道(a)使用单独的信道复用分用26第二十六页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术——FDM

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用（FrequencyDivisionMultip1exing，FDM）。

27第二十七页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术——TDM(1)若传输介质能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用（Time-DivisionMultiplexing，TDM）技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时隙，轮流地分配给多个信号使用，每一时隙由一路信号占用。这样，利用每路信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多路信号。28第二十八页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术——TDM(2)时分多路复用可细分为同步时分复用和异步时分复用两种。1．同步时分复用29第二十九页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术——TDM(3)2．异步时分复用(统计时分复用)异步时分多路复用技术允许动态地按需分配使用时隙，以避免出现空闲时隙。30第三十页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术——WDM在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息，这种方式称为光波分复用技术，通常称波分多路复用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）。31第三十一页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术——CDM码分多路复用也是一种共享信道的方法，常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信，但使用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各方之间不会相互干扰，抗干扰能力强。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。码分多路复用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。32第三十二页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术实例移动通信系统简介AMPSTACSNMT其它GSMCDMAIS95第一代80年代模拟第二代90年代数字第三代IMT-2000WCDMACDMA2000模拟技术数字技术语音业务宽带业务TD-SCDMADAMPS第2.5代20世纪初GPRSCDMA1X数据业务数据33第三十三页，共61页。数据通信的基础知识信道复用技术实例移动通信系统简介(续)第三代IMT-2000WCDMACDMA2000宽带业务TD-SCDMA第四代LTE-AdvancedIEEE802.16m多媒业务IMT-Advanced体34第三十四页，共61页。数据通信的基础知识数据通信系统的模型移动通信系统简介速度35第三十五页，共61页。主要内容案例引入物理层基本概念数据通信的基础知识传输介质与常见的传输系统日常生活中的网络接入技术36第三十六页，共61页。传输介质常见的传输介质有导向传输介质

无导向传输介质37第三十七页，共61页。传输介质有导向传输介质—同轴电缆护套层绝缘层导体导体网

较双绞线有更好的屏蔽特性和传输距离，但价格比双绞线高。早期局域网中最常用的传输介质。38第三十八页，共61页。传输介质有导向传输介质—同轴电缆基带同轴电缆

用于传输数字信号。

在传输过程中，信号占用整个信道。

在同一时间内，仅能传送一种信号。

传送不同频率的信号。各信号通过调制技术调制到各自不同的正弦载波频率上。应用频分多路复用技术使各种信号同一时间内在不同的频道中被传送。性能比基带电缆好，但要附加信号处理设备，安装较困难，主要用于有线电视系统。宽带同轴电缆39第三十九页，共61页。传输介质有导向传输介质—同轴电缆

细缆

BNC头

端接器

T形头

连向网卡

两类基带同轴电缆粗缆

传输距离远，安装难度大，总体成本高，应用不广泛。细缆

安装比较简单，应用广泛。40第四十页，共61页。传输介质有导向传输介质—双绞线

外层护套绞合在一起的双绞线对双绞线在传输距离、信道带宽和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。由两根有绝缘保护层的铜导线相互绞合而成。是目前最常用和最廉价的传输介质。

41第四十一页，共61页。传输介质有导向传输介质—双绞线两类双绞线●

屏蔽双绞线（STP）

屏蔽层可屏蔽电磁波干扰，也可防止电磁波泄漏。价格较贵，安装较复杂，应用不广泛●

非屏蔽双绞线（UTP）

没有金属屏蔽层传输速率不高，传输距离有限价格便宜，易于安装，应用广泛42第四十二页，共61页。传输介质有导向传输介质—双绞线

1类线用于1980年代初之前的电话线缆。2类线曾用于旧令牌网。带宽为1MHz3类线主要用于10Base-T。带宽为16MHz4类线主要用于基于令牌的局域网和10Base-T/100Base-T。20MHz5类和超5类线主要用于100Base-T和10Base-T网络。带宽100MHz6类线用于速率为1Gbps及以上的数据传输。带宽200-250MHz

6类和超6类线目前使用最为广泛。7类线性能更好,如近端串扰、衰减串扰比、回波损耗、带宽传输等都有所提高。

六种规格的双绞线1类线（Category1或CAT1）到6类线（CAT6）其中，5类线又分为普通5类线(CAT5)和超5类线(CAT5E)不同规格的双绞线有不同的传输特性7类线标准——双屏蔽、两种接口、带宽超过500MHz，已经投入市场，价格较昂贵43第四十三页，共61页。传输介质有导向传输介质—光纤抗电磁干扰能力强传送速率高传输距离远塑料护套层纤芯(高折射率玻璃)包层(低折射率玻璃)

结构光缆：多根光纤(4芯、8芯、12芯甚至更多)扎在一起，外面用坚韧的外壳保护起来就形成光缆。

目前发展最迅速、前景最好的传输介质。

特点44第四十四页，共61页。传输介质有导向传输介质—光纤包层纤芯折射角入射角光纤传输利用了两个物理原理折射原理1当光通过一种介质转入另一种介质时，光线会发生折射，折射量取决于两种介质的特性（它们的折射率）。全反射原理2如果入射角大于一个临界值，光线将完全反射，从而被限制在纤芯中，近于无损耗地传输。45第四十五页，共61页。传输介质有导向传输介质—光纤直径较大的光纤，可以允许从许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输。纤芯直径有50、62.5和100μm三种。光脉冲损耗大，只适合近距离传输。传输距离通常是300m～4km。多模光纤光纤的直径减小到只有一个光波的波长（8～10μm）时，光线沿直线传播，不会产生多次反射，这时，纤芯内只能传输一种模式的光线。

制造成本及其设备价格都较高。传输损耗低，传输距离远。单模光纤46第四十六页，共61页。传输介质有导向传输介质—光纤

三个组成部分LED（发光二极管）或半导体激光器，用于将需要传送的电信号转换成光信号。

用于传输光脉冲。由光电二极管做成，用于将检测到的光信号还原成电信号。发送端光源1光纤2接收端光检测器3关于光纤的带宽

由于可见光的频率非常高（约为108MHz量级），光纤的信道带宽远远大于目前的其它传输介质，可获得的最大数据传输速率完全可以超过50000Gbps（50Tbps），而且还在不断地寻找更好的材料，目前达到的实际传输速率只是受了光电转换速度的限制。47第四十七页，共61页。传输介质无导向传输介质

无线通信实现的基本原理

1865年，英国著名物理学家麦克斯韦（JamesClarkMaxwell）预言：电子运动时产生可以自由传播（甚至在真空中）的电磁波光波就是一种电磁波，光现象就是一种电磁现象。1887年，德国物理学家赫兹（HeinrichHertz）利用实验方法产生了电磁波，证明了麦克斯韦的预言。在电路上加入适当大小的天线，电磁波便可在自由空间中有效地广播，并被一定距离内的接收器收到。麦克斯韦与赫兹的研究表明：变化的电场激发变化的磁场，变化的电场与变化的磁场不是彼此孤立的，而是相互激发的。即无线通信与有线通信存在内在的联系。48第四十八页，共61页。传输介质无导向传输介质-微波通信100MHz以上沿直线传播:发射天线和接收天线必须精确对准。方向性使成排的多个发射设备可以和成排的多个接收设备通信而不会发生串绕。不易穿过建筑物能穿透电离层进入宇宙空间，使得卫星通信成为可能。

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应用领域长途电话通信、蜂窝电话电视传播计算机网络通信●

频率范围

300MHz~300GHz主要使用2~40GHz●

特点49第四十九页，共61页。传输介质无导向传输介质-微波通信微波通信的缺点：会受到恶劣气候的影响，导致通信中断或通信质量下降隐蔽性和保密性较差由于微波在空间是直线传播的，传播距离受限，一般只有50km左右。为实现远距离通信，必须在一条微波信道的两个端点之间建立若干个中继站---地面微波接力通信。使用人造地球卫星作为中继站的微波接力通信。地面微波通信(1)卫星通信(2)50第五十页，共61页。传输介质无导向传输介质-WIFI的原理WIFI（WirelessFidelity）即802.11b标准，使用2.4GHz附近的频段速度快可靠性高开放性区域，通讯距离可达305米，封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。●

特点51第五十一页，共61页。主要内容案例引入物理层基本概念数据通信的基础知识传输介质与常见的传输系统日常生活中的网络接入技术52第五十二页，共61页。日常生活中的网络接入技术

xDSL(ADSL、HDSL、VDSL、···）

FTTX+LANHFC(CABLEMODEM)53第五十三页，共61页。日常生活中的网络接入技术

xDSL(ADSL、HDSL、VDSL、···）ADSL：AsymetricDigitalSubscriberLoop称作非对称数字用户线路，ADSL技术采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道。下行速率最高达到8Mb/s，上行速率最高达到1Mb/s。

通过语音分离器将低频的语音信号和高频的数据信